Общая электротехника и электроника

90

вышения окружающей температуры и др. Эти дополнительные устройства могут быть обеспечены собственными источниками электропитания, включая резервные аккумуляторы или гальванические элементы.

Рисунок 2.27 – Обобщенная структурная схема ИВЭП

Классификацию ИВЭП можно выполнить по различным признакам: принципу действия, назначению, количеству каналов выходного напряжения, виду используемых первичных источников и др. В зависимости от вида первичного источника электропитания ИВЭП можно разделить на две группы: инверторные и конверторные. Инверторные ИВЭП используются для преобразования напряжения переменного тока в напряжение постоянного тока, т.е. они изменяют не только значение, но и род выходного напряжения. К инверторным ИВЭП относятся также преобразователи постоянного напряжения первичного источника в переменное напряжение, питающее нагрузку. Например, к инверторам можно отнести обычный выпрямитель, который преобразует переменное напряжение сети в постоянное выходное напряжение, а также электронный генератор, который преобразует напряжение аккумулятора или гальванического элемента в переменное выходное напряжение, питающее электродвигатель.

Конвертерные ИВЭП используются для преобразования одного напряжения в другое. Например, к конверторам постоянного напряжения можно отнести обычные электронные стабилизаторы постоянного напряжения, а к конверторам переменного напряжения можно отнести трансформаторы. Заметим, что любой конвертер может содержать внутри себя инвертор, и наоборот.

По принципу действия ИВЭП можно разделить на две группы: трансформаторные и бестрансформаторные. В трансформаторных ИВЭП напряжение переменного тока, например силовой сети, вначале изменяется по значению при помощи трансформатора, а затем выпрямляется и стабилизируется. В бестрансформаторных ИВЭП, наоборот, переменное напряжение сети вначале выпрямляется, а затем преобразуется в переменное напряжение более

91

высокой частоты. В преобразователе может использоваться ВЧ трансформатор, поэтому точнее эти источники называть несколько иначе: с трансформаторным или бестрансформаторным входом. Поскольку преобразователи в таких источниках обычно работают в импульсном режиме, то и ИВЭП такого типа часто называют импульсными.

По количеству различных выходных напряжений ИВЭП можно разделить на одноканальные и многоканальные. Если в каждом канале используется отдельный стабилизатор выходного напряжения, то говорят, что это мно-

гоканальный ИВЭП с индивидуальной стабилизацией. Если же для стабилиза-

ции всех выходных напряжений используется выходное напряжение только одного источника (который называется главным или ведущим), то такие ис-

точники называются ИВЭП с групповой стабилизацией.

По выходной мощности ИВЭП принято делить на микромощные (1 Вт), маломощные (от 1 до 100 Вт), средней мощности (от 100 Вт до 1 кВт) и мощные (более 1 кВт).

При проектировании или выборе ИВЭП необходимо знать их технические и эксплуатационные характеристики. Этими характеристиками обычно руководствуются при использовании ИВЭП в электронной аппаратуре. Все характеристики ИВЭП можно разделить на три группы: входные, выходные и эксплуатационные.

К входным характеристикам ИВЭП относят:

- значение и вид напряжения первичного источника питания, например, питающей силовой сети или аккумулятора;

-частоту питающего напряжения и ее нестабильность;

-количество фаз источника переменного напряжения;

-допустимый коэффициент гармоник питающего напряжения.

К выходным характеристикам ИВЭП обычно относят:

-значения выходных напряжений;

-ток нагрузки или выходную мощность по каждому каналу;

-наличие гальванической изоляции между входом и выходом;

-наличие защиты от перегрузки или повышения выходного напряже-

ния.

К эксплуатационным характеристикам относят:

-диапазон рабочих температур;

-допустимую относительную влажность;

-диапазон допустимых давлений окружающей атмосферы;

-допустимые механические нагрузки;

-коэффициент полезного действия ИВЭП;

-удельную мощность;

93

Прямая линия при Н = 0 относится к нагрузкам типа ЭВМ, в которых практически вся мощность, потребляемая нагрузкой, превращается в тепло. При этом, чем выше эффективность ИВЭП, тем меньше его объем в общем объеме системы ЭВМ. Приведенные выражения свидетельствуют, например, о том, что при Н = 0.75 и П = 0.75 мощность, рассеиваемая в ИВЭП, составляет 57% суммарной рассеиваемой и трудно рассчитывать, что размеры ИВЭП будут меньше размеров нагрузки.

Наглядное представление о влиянии КПД ИВЭП на энергетические и объемные соотношения в системе «ИВЭП-нагрузка» дает рисунок 2.29 [18]. Сравнение производится при Н = 0 и неизменной мощности, потребляемой нагрузкой. Согласно формуле (2.3) повышение КПД ИВЭП от 0.5 до 0.75 уменьшает тепловые потери в ИВЭП в 3 раза, а потребляемая мощность уменьшается в 1.5 раза. Повышение КПД ИВЭП от 0.75 до 0.9 уменьшает тепловые потери в ИВЭП еще в 3 раза.

Рисунок 2.29 – Распределение рассеиваемых мощностей ИВЭП при различных КПД

Однако возможности увеличения КПД ИВЭП ограничены по различным причинам. Так, например, в электронных стабилизаторах непрерывного регулирования КПД можно оценить отношением выходного напряжения UН к напряжению источника питания UП.max:

а КПД ИВЭП с импульсным стабилизатором приближенно равно отношению:

где UП.min и UП.max – минимальное и максимальное значения напряжения на

входе стабилизатора, что при UП.min = UП.max дает = 0.78.

Для импульсных ИВЭП теоретическое значение П 1. Однако реальный КПД определяется потерями в элементах: транзисторах, диодах, конденсаторах и др., и обычно не превышает 0.95. Например, выпрямитель на диоде

94

при напряжении 5 В имеет КПД около 0.94. В общем случае оценить зависимость КПД ИВЭП от параметров элементов очень сложно.

В настоящее время проблема миниатюризации ИВЭП стоит достаточно остро в связи с общей тенденцией к снижению объемов и массы электронной аппаратуры. Необходимая поверхность S охлаждения ИВЭП определяется рассеиваемой в нем мощностью PПР и условиями охлаждения:

S = SОPПР, (2.10)

где SО – поверхность, необходимая для рассеивания мощности в 1 Вт. Удельную мощность ИВЭП в этом случае можно оценить как отноше-

ние мощности PП, отдаваемой в нагрузку, к объему V ИВЭП:

Принимая, что объем ИВЭП пропорционален поверхности охлаждения (2.10), найдем его объем по формуле:

V = aS = aSОPПР. (2.12)

В результате для удельной мощности ИВЭП получим:

Из формулы (2.13) следует, что чем больше КПД ИВЭП, тем выше его удельная мощность, т.е. мощность на единицу объема. В настоящее время выпускаются ИВЭП с КПД П 0.9 и удельной мощностью до 250 Вт/дм3.

Структура ИВЭП зависит от типа первичного источника электрической энергии. Все используемые первичные источники можно разделить на две большие группы: источники переменного напряжения и источники постоянного напряжения. Источники переменного напряжения обычно вырабатывают напряжение гармонической формы с фиксированной частотой 50, 400 или 1000 Гц и фиксированным значением 110, 127, 220 или 380 В. Источниками постоянного напряжения могут быть аккумуляторы или солнечные батареи. Аккумуляторные батареи обычно имеют также фиксированное напряжение из ряда: 6, 12, 24 или 48 В.

Структурные схемы ИВЭП, использующих электроэнергию, получаемую от сети переменного напряжения через силовой трансформатор, приведены на рисунке 2.30. Такие ИВЭП можно разделить на три группы: нерегулируемые, регулируемые и стабилизированные.

Схема нерегулируемого ИВЭП с трансформаторным входом (рисунок 2.30, а) состоит из силового сетевого трансформатора, нерегулируемого выпрямителя и фильтра пульсаций. Эта схема является простейшей и используется в тех случаях, когда требования к удельной мощности и качеству выходных напряжений невысокие.

Если требуется изменять выходное напряжение ИВЭП, то в схему вводится регулируемый выпрямитель, как показано на рисунке 2.30, б. Для регулировки выходного напряжения наиболее часто используются тиристорные выпрямители. Основным недостатком такого ИВЭП является необходимость

95

в периодической регулировке выходного напряжения при изменении напряжения сети, что выполняется оператором.

Рисунок 2.30 – Структурные схемы ИВЭП с трансформаторным входом:

снерегулируемым выпрямителем (а), с регулируемым выпрямителем (б)

исо стабилизатором (в)

От этого недостатка свободен ИВЭП со стабилизатором, схема которого приведена на рисунке 2.30, в. В эту схему после фильтра включается стабилизатор с непрерывным или импульсным регулированием выходного напряжения. Удельная мощность такого ИВЭП невелика по двум основным причинам: наличию силового трансформатора, работающего на частоте силовой сети, и необходимости использования стабилизатора.

Совершенствование ИВЭП с целью повышения их КПД и увеличения удельной мощности привело к созданию импульсных ИВЭП, в состав которых входят ВЧ инверторы напряжения. Структурные схемы таких ИВЭП с одним выходным каналом приведены на рисунке 2.31.

На рисунке 2.31, а приведена схема ИВЭП, содержащего нерегулируемый сетевой выпрямитель НСВ и конвертер выпрямленного напряжения сети. Конвертер состоит из регулируемого инвертора РИ, работающего на повышенной частоте (обычно 20…100 кГц), трансформаторного выпрямительного узла ТВУ и ВЧ фильтра ВФ. Для стабилизации выходного напряжения используется схема управления УУ.

В схеме управления сравниваются выходное напряжение UН ИВЭП и напряжение опорного источника ИОН. Разность этих напряжений, называемая сигналом ошибки, используется для регулировки частоты РИ (f = var) или скважности импульсов при их неизменной частоте (= var). Конвертер, выполненный на базе однотактного трансформаторного инвертора, называют трансформаторным однотактным конвертором ТОК. Конвертор, выполненный на базе двухтактного трансформаторного инвертора, называют трансформаторным двухтактным конвертором ТДК.

96

Рисунок 2.31 – Структурные схемы импульсных ИВЭП: с регулируемым инвертором (а) и регулируемым сетевым выпрямителем (б)

На рисунке 2.31, б приведена схема ИВЭП с регулируемым сетевым выпрямителем РСВ и нерегулируемым инвертором НИ. Остальные узлы в этой схеме имеют то же назначение (и те же обозначения), что и на рисунке 2.31, а. Отличительной особенностью этой структурной схемы является использование нерегулируемого инвертора НИ. Стабилизация выходного напряжения в этой схеме обеспечивается за счет регулирования напряжения на входе конвертора с помощью РСВ, который обычно выполняют на тиристорах с фазовым регулированием.

Для схемы, приведенной на рисунке 2.31, а, характерным является то, что инвертор должен быть рассчитан на работу с выпрямленным напряжением сети, которое имеет максимальное значение около 300 В для однофазной сети и около 530 В для трехфазной сети 220/380 В. Кроме того, изменение частоты или скважности импульсов инвертора РИ приводит к ухудшению фильтрации выходного напряжения. В результате увеличиваются массогабаритные показатели фильтра ВФ, так как его параметры рассчитывают исходя из минимального коэффициента заполнения импульсов min при условии непрерывности тока в нагрузке.

Положительным свойством схемы на рисунке 2.31, а является совмещение функций преобразования напряжения и стабилизации выходного напряжения UН. Это позволяет упростить схему УУ, так как уменьшается число управляемых ключей. Кроме того, наличие паузы позволяет устранить сквозные токи в ключах инвертора.

Достоинством схемы, приведенной на рисунке 2.31, б, является возможность обеспечения работы инвертора при пониженном напряжении (обычно его снижают в 1.5…2 раза), поэтому питание инвертора производит-

97

ся напряжением 130…200 В. Это существенно облегчает работу транзисторных ключей инвертора. Другим достоинством этой схемы является то, что инвертор может работать с максимальным коэффициентом заполнения max импульсов и, следовательно, упрощается фильтрация выходного напряжения. Исследование КПД и удельной мощности обеих схем показала, что эти показатели у них отличаются незначительно.

2.5Устройства питания электронной аппаратуры

Выпрямителем называется устройство, предназначенное для преобразования переменного напряжения в постоянное. Основное назначение выпрямителя заключается в сохранении направления тока в нагрузке при изменении полярности приложенного напряжения. Выпрямитель можно рассматривать как один из типов инверторов напряжения [12]. Обобщенная структурная схема выпрямителя приведена на рисунке 2.32.

Рисунок 2.32 – Обобщенная структурная схема выпрямителя

В состав выпрямителя могут входить: силовой трансформатор СТ, вентильный блок ВБ, фильтрующее устройство ФУ и стабилизатор напряжения СН. Трансформатор СТ выполняет следующие функции: преобразует значение напряжения сети, обеспечивает гальваническую изоляцию нагрузки от силовой сети, преобразует количество фаз силовой сети. В импульсных источниках питания трансформатор обычно отсутствует, так как его функции выполняет ВЧ инвертор.

Вентильный блок ВБ является основным звеном выпрямителя, обеспечивая однонаправленное протекание тока в нагрузке. В качестве вентилей могут использоваться электровакуумные, газоразрядные или полупроводниковые приборы, обладающие односторонней электропроводностью, например, диоды, тиристоры, транзисторы и др. Идеальные вентильные элементы должны пропускать ток только в одном (прямом) направлении и совсем не пропускать его в другом (обратном) направлении. Реальные вентильные элементы отличаются от идеальных, прежде всего, тем, что они пропускают некоторый ток в обратном направлении и имеют падение напряжения при протекании прямого тока. Это сказывается на снижении КПД вентильного блока и снижении эффективности выпрямителя в целом.

98

Фильтрующее устройство ФУ используется для ослабления пульсаций выходного напряжения. В качестве фильтрующего устройства обычно используются фильтры нижних частот (ФНЧ), выполненные на пассивных R, L, C элементах или, иногда, с применением активных элементов – транзисторов, операционных усилителей (ОУ) и пр. Качество ФУ оценивают по его способности увеличивать коэффициент фильтрации q, равный отношению коэффициентов пульсации на входе и выходе фильтра.

Стабилизатор напряжения СН предназначен для уменьшения влияния внешних воздействий: изменения напряжения питающей сети, температуры окружающей среды, изменения нагрузки и др., на выходное напряжение выпрямителя. Стабилизатор напряжения можно установить не только на выходе выпрямителя, но и на его входе. Если к стабильности выходного напряжения не предъявляется особых требований, то стабилизатор может быть или совсем исключен или его функции переданы другим узлам. Например, в импульсных источниках питания функции стабилизатора может выполнять регулируемый инвертор РИ или регулируемый вентильный блок.

Кроме основных узлов, в состав выпрямителя могут входить различные вспомогательные элементы и узлы, предназначенные для повышения его надежности: узлы контроля и автоматики, узлы защиты и др., например, узлы автоматического переключения напряжения питающей сети 110-220 В.

Для классификации выпрямителей используют различные признаки: количество выпрямленных полуволн (полупериодов) напряжения, число фаз силовой сети, схема вентильного блока, тип сглаживающего фильтра, наличие трансформатора и др.

По количеству выпрямленных полуволн различают однополупериодные и двухполупериодные выпрямители. По числу фаз питающего напряжения различают однофазные, двухфазные, трехфазные и шестифазные выпрямители. При этом под числом фаз питающего напряжения понимают число питающих напряжений с отличными друг от друга начальными фазами. Так, например, если для работы выпрямителя требуется одно-единственное питающее напряжение, то такой выпрямитель называют однофазным. Если же для работы выпрямителя требуются два питающих напряжения, сдвинутых друг относительно друга на какой-либо угол (чаще всего на 180 ), то такой выпрямитель называют двухфазным. Аналогично, если для работы выпрямителя требуются три питающих напряжения, сдвинутые друг относительно друга на угол, равный 120 , то такой выпрямитель называют трехфазным. Шестифазные выпрямители состоят из двух групп трехфазных выпрямителей, питаемых противофазными напряжениями трехфазной сети.

По схеме вентильного блока различают выпрямители с параллельным, последовательным и мостовым включением однофазных выпрямителей. Схемы выпрямителей приведены на рисунке 2.33.

Однофазный однополупериодный выпрямитель, схема которого приве-

дена на рисунке 2.33, а, является простейшим. Такой выпрямитель пропуска-

99

ет на выход только одну полуволну питающего напряжения, как показано на рисунке 2.34, а. Такие выпрямители находят ограниченное применение в маломощных устройствах, так как они характеризуются плохим использованием трансформатора и сглаживающего фильтра.

Рисунок 2.33 – Схемы выпрямителей, питаемых от однофазной сети: однополупериодный (а), двухфазный двухполупериодный (б), однофазный мостовой (в) и однофазный с последовательным включением (схема удвоения) (г)

Двухфазный двухполупериодный выпрямитель, приведенный на рисунке

2.33, б, представляет собой параллельное соединение двух однофазных выпрямителей, питаемых от двух половин вторичной обмотки 2 и 2 . С помо-

щью этих полуобмоток создаются два противофазных питающих выпрямители напряжения. Форма выходного напряжения такого выпрямителя приведена на рисунке 2.34, б. Этот выпрямитель характеризуется лучшим использованием трансформатора и фильтра. Его часто называют выпрямителем со средней точкой вторичной обмотки трансформатора.

Рисунок 2.34 – Формы напряжений на входе и выходе выпрямителей, питаемых от однофазной сети, при резистивной нагрузке без фильтра:

однополупериодного (а) и двухполупериодного (б)